CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.

CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.

This paper proposes two new topological arrangements consisting in connecting the AC power supply in series with two DC converters, one operating during the positive half-cycle and the other during the negative half cycle. It is noteworthy that these DC converters in series in a case are Buck EIE converters and on the other a buck. The results obtained with both arrangements are analyzed and compared. The control strategy is developed with the goal of imposing an AC voltage output within the limits imposed by the rules in order to mitigate the problems associated with Sags and Swells from the AC power supply . The principles of operation as well as the experimental and simulation results obtained in both steady and transient state are presented and validated for a 1kVA experimental prototype. Finally, some works still on progress related to this dissertation are presented, like the multilevel compensation and the three phase compensation. / Este trabalho propõe dois novos arranjos topológicos que consistem em se conectar a alimentação CA em série com dois conversores CC, um para operar durante o semiciclo positivo e o outro durante o semiciclo negativo. Vale ressaltar que estes conversores CC em série, em um caso são conversores Buck EIE e no outro um conversor Buck. Os resultados obtidos com ambos os arranjos são analisados e comparados. A estratégia de controle é desenvolvida com o intuito de impor uma tensão de saída CA dentro dos limites impostos pelas normas de forma a mitigar os problemas associados com Sags e Swells da rede de alimentação CA. Os princípios de operação, os resultados experimentais e de simulação obtidos, tanto em regime permanente quanto em condições transitórias de operação, são apresentados e validados para um protótipo experimental de 1kVA. Por fim apresentam-se os trabalhos relacionados a esta dissertação que ainda estão em desenvolvimento, que são a compensação em multinível e a compensação trifásica. / Mestre em Ciências

Este trabalho apresenta a análise e o desenvolvimento experimental de uma estrutura topológica de retificador híbrido trifásico que oferece as características operacionais de imposição de correntes de linha de entrada senoidais, de alto fator de potência, de reduzida distorção harmônica total de corrente e de fornecimento de um barramento CC com tensão regulada utilizando a inovadora técnica de Compensação Série de Tensão no Barramento CC tanto para condições normais de suprimento da rede elétrica como para condições de afundamentos temporários de tensão equilibrados e desequilibrados na rede CA. Para corroborar com a teoria exposta e com as análises de simulação computacional, um protótipo de 5 kW foi construído e ensaios experimentais realizados em laboratório permitiram demonstrar que para condições normais de suprimento da rede CA a solução proposta assegura distorções harmônicas de corrente na ordem de 2% e um fator de potência por fase próximo do valor unitário (0,996), além de ser capaz de regular e manter a tensão no barramento CC constante mesmo durante o transitório provocado por um degrau de carga de alta potência. Durante a ocorrência de afundamentos de tensão, a estrutura é capaz de regular a tensão do barramento CC no valor de referência estabelecido, assegurando elevado fator de potência mesmo durantes estes distúrbios da rede CA de alimentação. Destaca-se que estas características operacionais, além de serem alcançadas com os conversores chaveados que compõem a estrutura processando apenas uma parcela da potência total de saída, tornando o conjunto mais eficiente e robusto, fazem da estrutura proposta uma excelente alternativa para aplicações com elevados níveis de potência envolvendo a alimentação de cargas CC sensíveis aos distúrbios provocados pela rede CA e para aplicações que compreendem a compensação de oscilações de tensão devido às intermitências dos sistemas de microgeração que compõem as redes de distribuição em corrente contínua das microrredes. / This work presents the analysis and the experimental development of a topological structure of three-phase hybrid rectifier, which provides operational characteristics for imposing sinusoidal input line currents, with high power factor, low current total harmonic distortion and providing a DC bus with regulated voltage using the innovative technique of Series Voltage Compensation in the DC Bus for both normal conditions of mains power supply and for temporary sags for balanced and unbalanced voltage ac power supply conditions. In order to corroborate the exposed theory and with computational simulation analysis, a 5 kW prototype was assembled and experimental tests were conducted in laboratory. The results demonstrated that under normal conditions of AC mains supply the proposed solution ensures harmonic distortions about 2 % for the input AC currents and a power factor per phase approximately unitary (0.996). Moreover, the prototype can regulate and maintain the DC bus voltage in a constant value even during the transient caused by a high-power load step. During the occurrence of voltage sags, the structure can regulate the DC bus voltage in the established reference value, ensuring high power factor even during AC mains power supply disturbances. One can emphasize that these operational characteristics, in addition of being achieved with the switched converters that comprise the structure processing only an amount of the total output power, was observed that the whole assembly is more efficient and robust. The proposed structure is an excellent alternative for supplying high power DC loads sensitive to disturbances caused by AC mains and for applications involving voltage oscillations compensation due to intermittences of microgeneration systems that are connected to DC distribution of microgrids. / Tese (Doutorado)